多數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能及數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性

隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、數(shù)量日益龐大，能源消耗量巨大。地球上的不可再生能源是有限的，現(xiàn)在的可再生能源技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到供需平衡，我國作為目前世界第一的能源消費(fèi)大國，節(jié)能降耗勢(shì)在必行。隨著各類綠色數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，節(jié)能已經(jīng)成為衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心成功與否的關(guān)鍵。

報(bào)告指出，我國地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)體系已顯現(xiàn)雛形，淺層地?zé)崮芾每焖侔l(fā)展，水熱型地?zé)崮芾贸掷m(xù)增長，干熱巖型地?zé)崮苜Y源勘查開發(fā)開始起步。

我國最新發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》明確指出，將年綜合能耗超過1萬tce的數(shù)據(jù)中心全部納入重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而2020 年由上海市發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心能源消耗限額》中也規(guī)定了數(shù)據(jù)中心電能利用效率限額的技術(shù)要求，明確了統(tǒng)計(jì)范圍、計(jì)量要求算法以及節(jié)能管理措施。由此，需要有一個(gè)能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐。

通過使用數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)中心的日常能源消耗以更直觀的數(shù)據(jù)展現(xiàn)在管理者面前。輔助管理者進(jìn)行節(jié)能項(xiàng)目決策以及對(duì)節(jié)能項(xiàng)目投入使用后的節(jié)能效果進(jìn)行跟蹤評(píng)估。

綜上所述，建設(shè)一個(gè)覆蓋面全的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在其中起到至關(guān)重要的作用。

3.蝦苗投放。投放前將筐浸在水中，讓蝦適應(yīng)池塘（稻田）水溫，可先投放一筐，看蝦苗入水后是否正常，然后將蝦投放在池塘（稻田）四周，注意不要將蝦苗全部投放在一個(gè)位置，蝦苗活動(dòng)范圍有限。

2 數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過中心能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)（EMS）、末端采集設(shè)備、計(jì)量表具以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的綜合性的業(yè)務(wù)平臺(tái)。末端采集設(shè)備將末端的計(jì)量表具的數(shù)據(jù)通過專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行哪茉幢O(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過平臺(tái)中部署的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終將分析后的數(shù)據(jù)通過圖形、圖表的方式在綜合信息平臺(tái)上直觀展示，助力節(jié)能專員快速?zèng)Q策。當(dāng)前絕大多數(shù)的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均為B/S 架構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式。

如何構(gòu)建一個(gè)安全、穩(wěn)定、可靠、高復(fù)用、高可擴(kuò)展的新型應(yīng)用架構(gòu)給我們帶來了一定的挑戰(zhàn)。為此我們需要對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行深入的研究。

3 多數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)帶來的新挑戰(zhàn)

為了解決這些問題，我們研究了新型的采集架構(gòu)，如圖2 所示，通過引入消息中間件，使用公共消息隊(duì)列，取消采集程序直接與數(shù)據(jù)庫的交互，將采集數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)列中的交換機(jī)將數(shù)據(jù)投遞到已訂閱的數(shù)據(jù)庫，從而減少數(shù)據(jù)庫連接的支出。降低數(shù)據(jù)庫連接數(shù)可以有效減少數(shù)據(jù)庫鎖，大幅提升入庫效率。

相比大型公共建筑的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然數(shù)據(jù)中心的用途較為單一，但在數(shù)據(jù)的維度、數(shù)據(jù)的顆粒度以及數(shù)據(jù)的體量上則比大型公共建筑的能源監(jiān)測(cè)復(fù)雜。

4 淺談新型能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本文著重從采集傳輸組網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用方面進(jìn)行研究。

4.1 采集傳輸組網(wǎng)

傳統(tǒng)的CCR和BCC模型一般用來對(duì)同一時(shí)間點(diǎn)的效率情況進(jìn)行橫向比較，對(duì)面板數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的適用性不強(qiáng)，難以發(fā)現(xiàn)效率的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)。Malmquist指數(shù)可以較好地分析面板數(shù)據(jù)，對(duì)相對(duì)效率的動(dòng)態(tài)變化能起到較好的刻畫效果，在分析不同地區(qū)或行業(yè)歷史數(shù)據(jù)方面具有較為廣泛的應(yīng)用［16，17］。 Malmquist指數(shù)通過距離函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，采用定向輸出和定向輸入定義距離函數(shù)。輸出變量的距離函數(shù)表示為：

他沒有什么愛好，就是喜歡喝酒，喝了之后就發(fā)酒瘋、罵人、砸東西，左鄰右舍都已經(jīng)習(xí)以為常了。有一次他喝醉了，吹噓自己血液里流的是酒精。葉曉曉覺得這是他說的最清醒的話了。葉曉曉的媽媽在她幾歲時(shí)就去世了，聽說是得了急病，但是個(gè)什么急病，葉曉曉一直沒弄明白，家家舅舅也早已不和他家來往，每回問葉之容，他就借著酒勁又哭又鬧。后來葉曉曉大了，也就懶得去問。生活嘛，總要向前看，死了的人總歸是死了，還是活著的老爸要緊。

數(shù)據(jù)采集分為直接采集和間接采集：直接采集即使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/UDP 協(xié)議、HTTP 協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議由服務(wù)器或前置機(jī)、工控機(jī)直接與采集末端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。一臺(tái)采集設(shè)備可以通過輪詢的方式采集若干能耗監(jiān)測(cè)設(shè)備的若干點(diǎn)位信息。直接采集可以針對(duì)能源監(jiān)測(cè)特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)于能耗所不關(guān)心的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行忽略，數(shù)據(jù)冗余度較低。

間接采集通過與其他相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享使用更多，如FTP、SOAP、HTTP 等方式實(shí)現(xiàn)，由其他第三方負(fù)責(zé)能耗監(jiān)測(cè)設(shè)備的廠商進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝打包，采用各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式將數(shù)據(jù)共享給到能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)將所需數(shù)據(jù)從龐大的數(shù)據(jù)池中提取出來，進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)聚合以及數(shù)據(jù)應(yīng)用。與直接采集相比，間接采集的建設(shè)成本較低，但數(shù)據(jù)的維護(hù)成本較高。

如圖1 所示，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用端到端多鏈接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫，每使用一種新的對(duì)接協(xié)議，就需要增加一個(gè)至多個(gè)數(shù)據(jù)連接，多個(gè)數(shù)據(jù)源接入就可以將數(shù)據(jù)連接池占滿，從而影響數(shù)據(jù)寫入的性能。

相對(duì)于傳統(tǒng)單一數(shù)據(jù)中心的能源監(jiān)測(cè)，多數(shù)據(jù)中心的能源監(jiān)測(cè)從數(shù)據(jù)的體量、維度有很大的提升。隨著大數(shù)據(jù)成為國家的基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源，數(shù)據(jù)的安全性也變得更為重要。由于這些原因，使用傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用架構(gòu)就有些捉襟見肘了。

湖南省水利廳直屬5座水電站，總裝機(jī)30萬kW，職工1 800人，水電站水庫設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田230萬畝（15萬hm2），其中有著名的韶山灌區(qū)和以英雄歐陽海命名的歐陽海灌區(qū)。多年來，水電站電價(jià)普遍較低，灌溉用水基本沒收費(fèi)，水電站為國家創(chuàng)造了很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。大多數(shù)水電站是20世紀(jì)五六十年代建成發(fā)電的，基本上都已經(jīng)運(yùn)行50年左右，最年輕的南津渡水電站也已運(yùn)行近20年。這些老水電站資本金較少，底子薄，人員包袱較重，大部分水電站裝機(jī)容量沒有變化，發(fā)展力度不大，現(xiàn)有設(shè)備也亟須更新改造，企業(yè)面臨著資產(chǎn)優(yōu)化、人力資源優(yōu)化、效益優(yōu)化等問題迫切需要改革發(fā)展。

當(dāng)今是萬網(wǎng)互聯(lián)時(shí)代，發(fā)展和安全成為了雙輪驅(qū)動(dòng)。在現(xiàn)階段國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的快速進(jìn)程中，數(shù)據(jù)安全的問題也是日益嚴(yán)峻。

系統(tǒng)如何進(jìn)行反滲透、安全基線、安全加固，以及數(shù)據(jù)傳輸加密也被提上日程。在新時(shí)代，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全帶來了新的挑戰(zhàn)。

如圖3 所示，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸一般都是基于明文透傳技術(shù)，所有的數(shù)據(jù)在傳輸過程中都沒有任何安全保護(hù)，極容易遭到不法分子對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的監(jiān)聽、嗅探攻擊。一旦數(shù)據(jù)被截獲，不法分子就會(huì)直接拿到有用的消息，為進(jìn)一步的攻擊打下基礎(chǔ)。

大部分的單數(shù)據(jù)中心能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)，都是基于垂直應(yīng)用架構(gòu)，所需數(shù)據(jù)應(yīng)用均需要實(shí)時(shí)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，而隨著數(shù)據(jù)中心的數(shù)量不斷增加，數(shù)據(jù)量也呈幾何倍數(shù)增加。當(dāng)數(shù)據(jù)在進(jìn)行匯總計(jì)算時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，會(huì)造成IO 讀寫瓶頸，各類數(shù)據(jù)庫鎖的問題層出不窮，帶來數(shù)據(jù)延遲。而隨著計(jì)算量、計(jì)算維度的提升，這個(gè)延遲的時(shí)間也將持續(xù)增大，影響了使用。

4.2 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

如圖6所示，我們對(duì)已經(jīng)完成入庫的數(shù)據(jù)，通過消息分發(fā)機(jī)制使用Redis、MemoryCache等緩存技術(shù)解決方案將其保存在內(nèi)存中，眾所周知，內(nèi)存的讀寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)硬盤。對(duì)于這些數(shù)據(jù)先按照不同能源處理方式進(jìn)行歸類。隨后再通過命令管道模式放入相關(guān)的數(shù)據(jù)處理單元。在與數(shù)據(jù)庫的交互上減少了一次讀寫的操作，提升了數(shù)據(jù)使用的效率。

我試了試自己的腿腳，還行。我拔開腿就跑了起來。我朝著那個(gè)黑的洞口子跑去。我的心里在這一刻什么都沒有，只有小六子。

此時(shí)，需要使用分布式處理的模式進(jìn)行處理。在新的架構(gòu)中，我們可以將計(jì)算單元進(jìn)行分解，將數(shù)據(jù)個(gè)體進(jìn)行拆分，使用多臺(tái)相對(duì)性能普通的服務(wù)器進(jìn)行平行的數(shù)據(jù)處理，從而使數(shù)據(jù)的處理達(dá)到高復(fù)用、高可擴(kuò)展。

以不退位減法和退位加法口算廣度為因變量，以年級(jí)和性別為自變量，進(jìn)行多元方差分析．結(jié)果表明，小學(xué)生減法口算廣度存在顯著的年級(jí)差異，但性別差異并不顯著．其中，不退位減法年級(jí)間差異顯著（F=40.92，P<0.001），性別間差異不顯著（F=1.86，P=0.18）．退位減法，年級(jí)間差異顯著（F=83.83，P<0.001），性別間差異不顯著（F=1.14，P=0.29）．此外，六年級(jí)學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說明六年級(jí)學(xué)生在減法的口算廣度中存在較大差異．

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)，使用垂直方式，在數(shù)據(jù)量巨大的情況下，如果無法快速消化就會(huì)造成數(shù)據(jù)堵塞。而垂直架構(gòu)又無法通過增加服務(wù)器的個(gè)數(shù)進(jìn)行程序的橫向擴(kuò)展，僅通過不斷疊加單臺(tái)服務(wù)器的性能來滿足要求，其硬件成本極其昂貴。

基于傳統(tǒng)單數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理，由于其僅針對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)的類型種類增量都是可控的，而不同的數(shù)據(jù)中心，除了一些基礎(chǔ)的計(jì)量外，如水、汽、油等除電以外的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，都有著其個(gè)性化的差異。在進(jìn)行多數(shù)據(jù)中心集中管理時(shí)，這些差異性會(huì)使數(shù)據(jù)處理更為煩瑣。傳統(tǒng)模式都是直接由采集進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總時(shí)再從數(shù)據(jù)庫內(nèi)將數(shù)據(jù)提取出來進(jìn)行運(yùn)算，這樣極大地增加了硬盤讀寫的IO，容易造成超時(shí)等故障，見圖5。因此，在進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理之前，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理就變得至關(guān)重要了。

一杭在護(hù)士的帶領(lǐng)下來到母親的病床前，母親的頭上纏著繃帶，并用網(wǎng)狀的頭套固定著，這讓一杭想起小時(shí)，母親用網(wǎng)兜裝西瓜。母親眼睛緊閉，靠呼吸機(jī)呼吸。一杭走過去，蹲下身，輕輕地握著母親冰涼的手，母親動(dòng)了一下，吃力地睜開眼，想做出一個(gè)笑臉，但嘴上套著吸氧面罩，沒成功?！皨專　币缓?jí)阂种蘼暤偷偷亟辛艘宦?。母親用力握了一下他的手。張著嘴想說話，面罩像一個(gè)漏氣的氣球，一鼓一癟的?！搬t(yī)生，醫(yī)生，我媽好像要說話?！贬t(yī)生取下面罩，一杭把耳朵湊近母親的嘴。母親微弱的聲音伴著粗重的喘息傳來：“我……”喘息越來越急促。一杭說：“媽，您有什么吩咐？”

如圖4 所示，通過對(duì)使用諸如AES、RSA、ECDH、DSS、ECC 等對(duì)稱或非對(duì)稱的方式在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中將數(shù)據(jù)加密。數(shù)據(jù)到達(dá)目的地后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的解密。通過此技術(shù)手段保護(hù)，攻擊者監(jiān)聽、嗅探到的數(shù)據(jù)將不再可直接使用，大幅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。除了通過加密手段對(duì)數(shù)據(jù)加密之外，物理的傳輸鏈路也要做好相關(guān)的安全防護(hù)。

對(duì)此我們需要對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行以下多項(xiàng)改造：

1)通過讀寫分離，將前端所需要使用到的靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過文件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫等方式，部署到資源服務(wù)器，通過此改動(dòng)，與性能數(shù)據(jù)徹底分離。

2)通過引入Web 緩存與內(nèi)存緩存相結(jié)合的方式，將被讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，降低對(duì)性能數(shù)據(jù)庫的讀取，從而極大地改善了數(shù)據(jù)匯總所造成的數(shù)據(jù)響應(yīng)慢的問題。

3)通過引入Sync異步機(jī)制，將業(yè)務(wù)請(qǐng)求與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)輸出分離，提升用戶體驗(yàn)。

由于各類設(shè)備廠商有各自不同的定義編碼，各類設(shè)備又有各自不同的參數(shù)定義，相同類型的設(shè)備在不同廠商所制造的設(shè)備中所對(duì)應(yīng)的參數(shù)名稱也是各有千秋。不同廠家相同設(shè)備的精度也有所區(qū)別。數(shù)據(jù)采集測(cè)量點(diǎn)的位置也對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有著巨大的影響。綜上所述，這些因素所造成的計(jì)量誤差也會(huì)影響到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，因此，建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議迫在眉睫。

當(dāng)采用組成數(shù)據(jù)，通過專用軟件計(jì)算天然氣的烴露點(diǎn)時(shí)，GB/T 30492-2014《天然氣 烴露點(diǎn)計(jì)算的氣相色譜分析要求》要求對(duì)于C+6組分的定量分析，當(dāng)按碳數(shù)歸類有交叉的情況時(shí)，應(yīng)將苯、甲苯、環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等組分進(jìn)行單獨(dú)定量分析[15]。

2020年由上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)、上海市發(fā)展和改革委員會(huì)共同提出，由上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)組織實(shí)施的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心能耗在線監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》便由此應(yīng)運(yùn)而生。該標(biāo)準(zhǔn)不僅對(duì)電、水等計(jì)量設(shè)備的精度提出了要求，同時(shí)對(duì)計(jì)量點(diǎn)的位置進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)采集系統(tǒng)內(nèi)不同分類代碼進(jìn)行了規(guī)范。通過對(duì)能耗分類的進(jìn)一步細(xì)化，分為水、電、燃?xì)狻⑷加?、外購冷、?duì)外供熱、可再生能源等7 大類以及14 小類。這些分類基本涵蓋了目前數(shù)據(jù)中心能源相關(guān)的所有信息。

5 結(jié)論

通過能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)安全傳輸、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提升。為構(gòu)建多數(shù)據(jù)中心的能源監(jiān)控應(yīng)用架構(gòu)提供有力的技術(shù)支撐，為促進(jìn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作的開展，提供切實(shí)可用的能耗數(shù)據(jù)。